Введение к работе
; „Актуальность темы.
Для современного ітапА развития полупроводниковое электроники, в особенности оптоэльктроники, характерно освпение физический явлений, происходящих в полупроводниковых материалах со сложным химическим составом и в полупроводниковых структурах с комбинацией тонких слоев или сверх'решиток. Это относится не ТОЛЬКО к кремниевым, структурам с легированными или модифицированными слоями или структурам с пониженной размерностью, но и к сложным — тройным, четаврным полупроводниковым соединениям, обладающим сверхструктурой по отношению к более простым алнізоподсйним элементарным и двойным полупроводникам. Решетки Евав» в этих полупроводниковых кристаллах и алмаав совпадают, однако сперкструктур.іов упорядочение для трех или четырех химических элементов приводит к понижанню симметрии кристалла до одноосной или двуоеной» Алмааолвдобмыв кристаллические структуры
халькопирита, станнита, дефектного станнита приобретают ярко
і выраженную анизотропии! выделенная тетрагональная ось Формирует
в кристалле оптическую и фотоэлектрическую индикатрису.
Исследование анизотропных явлений в кристаллах сложных полупроводников, представляет не только общефизический интерес, но и позволяет раовить новые подходы к приборам полупроводниковой оптоэлвктроники, заложить основы практического применения и Сформулировать принципы действия нового класса Фотоэлектрических приборов, чувствительных к поляризации излучения. Однако, для реализации уникальных свойств алмазогтодобных ыешаств сложного химического состава необходимо развитие прецизионной технологии выращивания монокристаллов, ик точней ориентации, методов Формирования, энергетических барьеров. Химия и технология сложных алмазоподобных фай является неотъемлемым этапом в раскрытии практического потенциала новых полупроводниковых материалов к оптика, оптоэлектроникв, ФотопрроДраоовательной технике.
Последние два десятилетия эти работы схватили в.основном аналоги, двойных соединений III—V и II-VI. тройные полупроводники II-IV-Vj и I-III-VI^ С1*3. Большил успехи были сделаны в разработке тонкопленочных солнечных элементов (CuInSe,,) ,
«ютодятвктор'ов линейно поляризованного излучения (II-IV—V» ! , нелинейно оптических преобразователей <ГпБеРг, CdGeAsj, II-IIIj-VI^) , интерференционные. Фильтров (I-III-VI,) 2«~4*, 13. Э сег.ізи с >тим актуальным ягляетсы изучение анизотропии оптическим и Фотоэлектрических свойств тройных алмаооподоЁных полупроводников, как однородных монокристаллов, так и полупроводниковых структур с энергетическими Сарьардни.
Ис?РРг1ЧУ<=ка,я справка
Поляризованное излучение, открытое Х.Гюйгенсом еще в 1690 г. С5», 6*3, «последствие стало предметом разносторонних оптический экспериментов, в основе которых лежало первичное преобразование поляризации оптическим элементом и оятем детектирование выходящего пучке визуальна либо с помощью аотоприомкого устройства С7*3. Є 180S г. .V. Ma л юс, изучая отражение спета от стеклянной поверхности, установил свай знаменитый оаксн со» (Р. Уже є наи>ем столетии полупроводниковое материаловедение, в истоках которого стояли А.ф.Иоффе и Н.А.Горюнов* CS*, 9*3, вызвало рождение новых приборов и устройств полупроводниковой электроники. Постепенное совершенствование технологии сложных алмагюподобных Фаз при перекоде от элементарных полупроводников к двойным и тройным интеомат&ллидам привело, в частности, к получению otiveMHUx полупроводниковых монокристаллов 1I-IV-V2, I—III—VI2, II—Під—Vl^ С9*, 10*3. Начиная с 1973 г., в физико-техническом институте им. А. 0. Иоф;рг> Лылл развернуты исследования поляризационных эффектов в моночрисчаллах этиу классов СИ*, 13, которые легли в основу соадамиг [та новых фотоэлектрических приборов, чувствительных к лииейічзі* поляризации излучения.
6 предшествующих равотах С12*, 13*3 ок:ло начато изучение широкого круга физических явлений н тройных полупроводниках! Фаоовых переходов, точечных деоектов структуры, электрических, радиационных, излучательных, а также оптических и фотоэлектрических яале^-ій, в том числе в поляризованном излучении. В отличие от предшествующим работ настоящая диссертация посвящена исключительно праблэмам оптической и фотоэлектрической анизотропии, установлении Фундаментальных закономерностей анизотропных свойств тройных алмазоподойнмх пелупроиодников из разных кристаллохимических групп.
Она охватывает работы автора, начиная с 1975 г., ив основном отраженные а монографии 1992 г., а также включает авторские свидетельства на изобретения, в которых защищены новэйшиа конструкции приваров, устройств, принципы их действия и способы получения кристаллов некоторых сложных алмааогюдайным полупроводников'.
Цель и оадачи работы
Цель» диссертационной работы является установление Фундаментальных (закономерностей оптической и оотоилектрической анизотропии в кристаллах тройных алмаэоподобных полупроводников. 9 круг изученных материалов входили соединения II —IV—V^s CdSnP» , CdGePj , CdSiAgj, ZnGeP2 , ZnSiPj,, CdBiPa, твердые растворы CdSn^Go,,^1^; соединения І-ІІЇМЛ2і CuInTe2, CuInSej, CuInSa; соединения Mn-IIIa-VI^s MnIn2Te^, MnGajTe^J соединении Ij,-11-І V-VI41 CuoCdSnSe^, Cu,CciGeSe^. Дополнительной целью является подтверждение Фундаментальных закономерностей изучаемых свойств путем вовлечения в научное исследование некоторых полупроводниковые материалов других классов: двойных' соединений с тетрагональной решеткой (CdP^ , ZnP/^) , полвриоіционні-чувствитєльнмм структур из изотропных полупроводников В соответствии с этим основными задачами диссертации были следующие: Исследовать оптическую и фотоэлектрическую анизотропию в длинноволновой области спектра при наличиии мвлких и глубоких уровней собственных дефектов и примесей в кристаллах. Исследовать .краэвой оптический дихроизм в сильно компенсированных полупроводниках и провести сравнительный . анализ со случаем слабой компенсации Ы^/Ы-^. Исследовать естественный фотоплеахреизм псевдопрямоэонным кристаллов с сильным тетрагональным сжатием рєшатки халькопирита и провести сравнительный обобщающий эналиа анизотропных свойств тройных алмаооподоймых полупроводников из различных кристаллохммических групп. Изучить оозмо**ности выращивания че»тыр«хкэмппм»знтных аналогов соединений I-III-VI^ и Il-IV-Vg і полновалентиь'х соединений CujCdSnSe^ vi CujCdGeSa,., млолновалттны» соединений с магнитным ионом март«ни» Mnln^Te^ и MnGaj'fe^i твердых растворов Сс13лх0е^_хРй и виде монокристаллов и исследовать ии оптическую и Фотоэлектрическую анизотропию. S. Опредглить оптические кэнстанты тройных алмазаподобнын полупроводников в видимой оаласти спектра. о. Выполнить комплекс технологических работ по созданию энергетических барьеров на кристаллах с сильной кристаллографической анизотропией и исследовать фотоэлектрическую анизотропии в однородный кристаллах и разработанных диодных структурах. 7. Научить и объяснить явление гигантского гаотоплеохроизма в полупроводниках! разработать теоретическую модель поляризационного инвертора и подтвердить ее экспериментально. Є. Изучить анизотропные фотоэлектрические эффекты в гетеропереходах на тройных алмвэопидобных полупроводниках с привлечением квазикубической модели и модели Андерсона. Установить связь поляриметрических свойств фатодетекторов с параметрами ионной структуры тройных алмазопедэбных полупроводников (естественна» анизотропия) и с явлениями анизотропного прохождения линейно поляризованным излучением границы воздух-иветропный полупроводник (наведенная анизотропия). Изучить оптически*" и фотоэлектрические сеойстеа кристаллов CulnSe. с термическим окислом и гетеропереходов и этой система. Перечисленные выше задачи решались с помощью следующих жепэримьнтальных методик! поляризационной оптической спектроскопии, поляризационной фотоэлектрической спектроскопии, лазерноіі >ллипео*етрии. Научная новизна работы состоит ы следующих полученных результатах! - Установлены закономерности оптического дихроизма и фотоплеохро-из*-а в тройных полупроводниках с различными тетрагональными структурами <х*лькопирит, станнит, дефектный станнит) и с учетом их химического состава, концентрацин свободных носителей заряде, точечных дефектов решетки и примесей, тетрагональной деформации решетки, структуры энергетических зон. — Предложены феноменологические! модели: а!. две модифицированные в) модель поляризационного ичпертара, в>. модель атомного механизма термического окисления O.iInSo,. "Обнаружено и всесторонне исследоаано новое «ютоэлектричэскае явление— гигантский оютоплеокроиам в анизотропным полупроводниках »). Установлена его физическая природа. - Обнаружены и научены поляризационный эОФект окна в гетеропере Практическая ценности работы 1. Введено в научную практику новое понятие - дютоплеохгоиэм #ї, всесторонне научено эта явление для однородных кристаллов и полупроводниковых структур с энергетическими бапьерами. 2.. Разработаны принципы действия и созданы действующие макеты фотодетекторов линейно поляризованного излучения с селективной и широкополосной чувствительностью. Разработаны принципы действия, теоретическая модэль и сосланы экспериментальные макеты поляриметрический инверторов знака фототокв. Разработаны устройства поляризационной оптоэлектроники: для исследования поляризационных свойств анизотропных материалов, для определения параметров линейно, эллиптически и частично поляризованного излучения. Разработан способ повышения КПД шотопреобразевания линейно поляризованного излучения. Ь. Разработаны способ исследования дефектной структуры и модель атомного механизма термического окисления кристаллов CuInSe,. *) Это явление и.эффекты обнаружены совместно с Ю.В.Рудем. #) Термин впервые введен в 197S г..(Мвдоодкин Г.Л. Полупроводниковые CdSnPj-оотопривмники излучения Nd-лаэера// Тезисы «шл, IV Респ.коночр.молодых ученых-физиков <23-27 окт.1973».-Еаку.-ЭЛМ.-1979.-С.38. ,'івтодом. термического окисления и ионной имплантации кислорода созданы гитеростр/ктурн типа In^Oj/ox(CuInSe^i/CuInSej, перспективные для -разработки солнечных элементов. Доказана возможность выращивания монокристаллов четырехкомппнантных соединений Cu2CdSnSt!4, Cu^CdGeSe^ и твердых растуоров CdSn^Gej.^Py , пригодных для разработки приборов поляризационной олтоэлектрсники. Нгучмыа положения диссертации . "О мелких и глубоких уровнях". Ме/ікип уровни собственных дефектов и примесей в тройных алмазоподобных полупроводниках с прямой структурой оом уширяют спектральный контур естественного оптического дихроизма и Фотсплеохроизма, сдвигают его максимуму;* в. длинноволновую область на »нер-ию, близкук к энергии их оптической активации. Глубокий.уровни создамт локальные длинноволновые экстремумы оптического дихроизма и вотоплесхроизма, спектрально отделенные от краевой полосы. "О компенсированных полупроводниках". Краевая полоса оптического дихроизма в сильно компенсированных прямозонных полупроводниках смешена в длинноволновую область за 'счет флуктуации концентрации донорных и акцепторным центров, и при этом сохраняется высокая степень анизотропии. 'О коротковолновом оотоплеохроиэме псевдопрямозонных полупроводников" Естественный фотоплеохроипм псеедппрямоаонных кристаллов 1I-IV-V-, с сильным тетрагональным сжатием СЕ >3.4У.) увеличивается с энергией Фоточое виша прякого А-первкода, достигая максимальных отрицательных значенні в области 3—4 эВ. 'О фундаментальной полосе поглощения (A f< пелупроаодчиках CdSnPj и CdSiAs2 с концентрацией свободных дыоск 10 и 10 '-м "3 прямые экситенные переходы при энергиях A а диспепсия показателя поглощения остается положительной. S. "О четыоэякомпонентных аналог&х". Гетеровялентное и нзовалентное oaweii'BHUE «томов в кигет гллзх тройных соединений I-III-VIj и TI-IV-V2 (111 + 1 И —- I1+-IV. I+I -г» Мп + СЗ и IV+1V —* IV+IV) позволяет со>:рзкит» чысоку» оптическую и фотоэлектрическую аниоотропий в кристаллах четь:-рехкомпонентных аналогов — соединениях и твердых ра-тчорах с алмазопадобной. структурой станнита, деаектногг» станнита, халькопирита. &. "О гигантском Фотоплеахроиэме". Гигантский фотоплеохроиэм в П'элупрозодниках (повышение амплитуды коэффициента отсплеохроизма AG ± оо (теория) и до + 1.5-1С3 '/. (эксперимент)), обусловлен векторной природой и конкуренцией Фототокао, протекакших є объеме кпигталла и/или в энергетических барьерах полупроводниковой структуры типа поляризационного инвертора. Одночастотный и многочастотний гигантский фотоплеохроизм проявляется при знррі'иях С^Е^41'' или . E
